Per automazione si intende l insieme di tecnologie volte a implementare sistemi che operino in modo autonomo, e che siano in grado di:

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1 Robotica Antonio Bicchi con Lucia Pallottino, Giovanni Tonietti, Enzo Scordio, Nicola Sgambelluri, Adriano Fagiolini, Luca Greco, Antonio Danesi, Riccardo Schiavi, Soumen Sen Centro Interdipartimentale di Ricerca E. Piaggio Università di Pisa Tel.: (Segreteria: ) Fax: Ricevimento: Martedì Testi Consigliati: L. Sciavicco, B. Siciliano: Robotica Industriale, McGraw Hill. S. Lavalle, Planning Algorithms, Cambridge Univ. Press (& www) Murray, Li, Sastry: A mathematical introduction to robotic manipulation, CRC Press.

2 Automazione Per automazione si intende l insieme di tecnologie volte a implementare sistemi che operino in modo autonomo, e che siano in grado di: sostituire l uomo nelle molteplici attività da lui svolte (specie quelle ripetitive, nocive o ad alto rischio); realizzare attività che l uomo è impossibilitato a svolgere (esplorazione sottomarina o spaziale, ambienti contaminati, etc.). Il termine attività è da intendersi in senso lato, come attività fisica ma anche intellettuale svolta nei più variegati settori: si pensi ad esempio alla cosiddetta office automation.

3 Robotica La robotica è quella parte della automazione che si occupa del controllo intelligente di sistemi meccanici complessi. Le applicazioni della robotica sono molteplici, ma possono essere divise in due grandi categorie: robotica industriale robotica di servizio La robotica industriale, volta prevalentemente a rendere più economici i processi di produzione di manufatti, rappresenta il settore di tradizionale sviluppo della robotica a partire dagli anni 60 circa, ed è tuttora di grande importanza, soprattutto per la crescente penetrazione in settori industriali che sinora non hanno raggiunto un livello di automazione elevato

4 Automazione Industriale L insieme di tecnologie sono rivolte ad utilizzare sistemi Meccanici, Elettronici ed Informatici per il controllo e per la produzione nelle industrie formano l automazione industriale (detta anche automazione del processo di produzione industriale). Si può effettuare una classificazione dell automazione industriale prendendo come base di ripartizione le metodologie produttive: Automazione Rigida: Caratteristiche dei processi: Produzione in serie di grossi lotti di prodotti aventi caratteristiche costanti; Sequenze fisse di operazioni da eseguire molte volte. Caratteristiche delle macchine (atte ad implementare il processo di automazione rigida) sono: architettura meccanica monoscopo ed altamente specializzata, progettata per operare una sola tipologia lavorativa con ottimizzazione dei tempi della produzione; sistema di controllo dedicato, realizzato mediante PLC o tecniche cablate, solitamente con modesta o nulla capacità di riprogrammazione per altre attività.

5 Automazione Industriale Automazione Programmabile: Caratteristiche dei processi: Produzione di piccoli e medi lotti di prodotti con caratteristiche variabili; Molteplici sequenze di operazioni di diverso tipo; Caratteristiche delle macchine: architettura meccanica versatile, progettata per operare su oggetti diversi appartenenti alla stessa tecnologia di gruppo; sistema di controllo riprogrammabile e/o adattivo.

6 Automazione Industriale Automazione Flessibile: Caratteristiche dei processi: Produzione su richiesta di lotti di dimensione variabile caratterizzati da prodotti diversi; Richieste di elevati ritmi di produzione; Lavorazioni che richiedono tecnologie sofisticate; Logistica interna e di magazzino. Caratteristiche delle macchine: architettura meccanica altamente versatile, progettata per operare su oggetti diversi caratterizzati da diverse tecnologie; sistema di controllo riprogrammabile; alta integrazione con il sistema informativo aziendale.

7 Automazione Industriale Diverse tipologie di automazione (valori indicativi) N. pezzi prodotti/anno Automazione rigida Automazione flessibile 500 Lavorazione manuale Automazione programmabile N. di parti diverse Tipologie di automazione industriale

8 I Robot Industriali Per quanto detto, il robot industriale assumerà delle caratteristiche peculiari nello svolgimento dei vari compiti, in dipendenza della tipologia di automazione che viene implementata. Ad esempio, una macchina per l automazione rigida dovrà essere predisposta per effettuare solo determinati tipi di compiti, che rimarranno sempre fissi nel corso della sua esistenza, ottimizzando però la velocità di esecuzione. Di contro, un robot adatto per l automazione flessibile è chiamato a svolgere compiti sempre diversi e quindi la sua struttura (meccanica e/o di programmazione) deve essere estremamente flessibile.

9 Compiti dei Robot Movimentazione (o trasporto): In questa categoria rientrano tutte le applicazioni nelle quali il robot non esegue direttamente una operazione sui pezzi prodotti, ma piuttosto provvede a movimentarli tra le macchine operateci nell ambito di una cella di lavorazione. Tipici compiti di trasporto sono elencati di seguito: pallettizzazione (disposizione di oggetti in maniera preordinata su un opportuno supporto raccoglitore); movimentazione di pallets e logistica; carico e scarico di magazzini; carico e scarico di macchine operatrici e macchine utensili.

10 - assemblaggio di gruppi meccanici ed elettrici; - montaggio di schede elettroniche; - avvitatura; - cablaggio. Compiti dei Robot Manipolazione: Si divide in due sottocategorie: Lavorazione Questa categoria comprende tutte le operazioni che il robot esegue con un attrezzo sui prodotti. Alcune operazioni: - la saldatura ad arco e a punti; - il taglio; -la verniciatura; - la fresatura e la foratura, etc. Assemblaggio Le operazioni di assemblaggio costituiscono un area di impiego che ha avuto una grossa espansione nel corso dell ultima decina di anni e che è tuttora in forte crescita. Si possono elencare operazioni quali:

11 Compiti dei Robot Misura: Alcuni tipici compiti di misura sono elencati di seguito: rilevamento di profili; collaudo dimensionale; ispezione per le valutazioni di qualità dei prodottie per l individuazione di difetti di fabbricazione; Per implementare i diversi compiti, il robot viene solitamente coadiuvato da appositi macchinari (automatici o semiautomatici), quali ad esempio macchine per il taglio (a controllo numerico, CNC) o per l approvvigionamento dei materiali, o per il cambio degli utensili. L insieme delle macchine utilizzate in un processo o gruppo di sottoprocessi costituisce la cosiddetta cella di lavoro.

12 I Robot Industriali E di fondamentale importanza garantire una efficiente organizzazione della cella stessa. Le configurazioni più usate sono: CELLA CON ROBOT CENTRALE: le macchine per la lavorazione circondano il robot, il quale provvede tipicamente a caricarle e scaricarle. LINEA DI LAVORAZIONE: uno o più robot sono collocati lungo una linea di trasporto. La linea trasporta i pezzi su cui effettuare la lavorazione, e ciascun robot esegue una lavorazione o un assemblaggio sui pezzi. CELLA CON ROBOT MOBILE: il braccio del robot è posto su una piattaforma che lo trasporta in diverse posizioni della cella per compiere diverse operazioni. Adatto per situazioni in cui un solo robot deve servire molte macchine. VEICOLI AUTONOMI (AGV): il robot è costituito da un veicolo mobile che movimenta i pezzi e/o le attrezzature di lavoro all interno di una larga cella flessibile di lavoro, dotata di molte macchine CNC e di magazzini. Il robot non è in generale dotato di capacità di manipolazione, ma solo di trasporto (e localizzazione accurata). Alcune realizzazioni avanzate di questo tipo vengono dette fabbriche automatiche.

13 Automazione dei Servizi - Esplorazione Esempi: Sottomarina, Spaziale, Vulcanica. Mars rover (realizzato dalla NASA come discendente del Pathfinder) Robovolk (ideato per effettuare rilievi geologici, foto e video sull Etna)

14 Automazione dei Servizi - Domotica: Alcuni esempi: tosaerba, aspirapolvere, etc. Greylands (Siemens) Trilobite (Electrolux) Sinas (Siemens)

15 Automazione dei Servizi - Biomedica Riabilitazione, Applicazioni chirurgiche, Teleoperazioni Riabilitazione (Video) Teleoperazioni Telepresenza

16 Automazione dei Servizi - Addestramento, Intrattenimento e Giochi Interfacce Aptiche, Realtà Virtuale, Telepresenza Delta (Force Dimension) Phantom (Sensable Co.) Simulazione (Video)

17 Elementi dei Robot Caratterizzazione generale dei robot Un robot è costituito in generale da una struttura meccanica attuatori, sensori sistema di controllo.

18 Elementi dei Robot Attuatori Gli attuatori si possono dividere in tre grandi categorie: Attuatori Elettrici, Attuatori Idraulici, Attuatori Pneumatici.

19 I Robot Industriali: Attuatori Attuatori Elettrici Utilizzati nel 50% circa dei casi. Vantaggi: velocità e precisione; possibilità di utilizzare sofisticati algoritmi di controllo; di facile reperibilità e relativamente basso costo; semplicità di impiego; ridotte dimensioni e peso. Motori cc. Svantaggi: la necessità di impiegare di un riduttore con conseguente imprecisione, ingombro e aggravio dei costi; la potenza disponibile è limitata. Motori passo-passo Motori brushless

20 I Robot Industriali: Attuatori Attuatori Idraulici Utilizzati nel 35% circa dei casi. Vantaggi: grande capacità di carico; grande velocità; una volta in posizione, la configurazione è mantenuta a causa della incomprimibilità dell olio; possibilità di avere un controllo accurato; Svantaggi: costi relativamente elevati per piccole dimensioni; rumorosità e problemi per perdite di olio; maggiore ingombro

21 I Robot Industriali: Attuatori Attuatori Pneumatici utilizzati nel 15% circa dei casi. Vantaggi: relativamente basso costo; alta velocità. Svantaggi: limitata accuratezza(per la comprimibilità dell aria) rumorosità e perdite; necessità di filtri per l aria ed esigenze di manutenzione.

22 I Robot Industriali: Sensori Sensori Si possono suddividere i sensori in due classi principali: sensori propriocettivi ed eterocettivi. Sensori propriocettivi in grado di misurare grandezze proprie del robot, come la posizione o la velocità dei giunti o delle ruote. Alcuni esempi: Potenziometri Resolver Encoder Dinamo tachimetriche Sensori di forza a tre o sei assi (forze e forze/coppie).

23 I Robot Industriali: Sensori Sensori eterocettivi in grado di misurare grandezze dell ambiente in cui il robot opera, come la temperatura, la distanza da ostacoli, la posizione/orientamento degli oggetti da manipolare, ecc., ovvero le forze che sono scambiate tra il robot e l ambiente. Si possono suddividere in quattro grandi famiglie: Sensori di forza/coppia e tattili; Sensori di prossimità o distanza; Sistemi di visione; Sensori speciali per le applicazioni.

24 Tipologie di Robot : Bracci meccanici La struttura cinematica dei bracci meccanici è composta da: Link (o membri): corpi rigidi interconnessi Giunti: si suddividono a loro volta in - Giunti prismatici; - Giunti rotoidali. Giunti Link Red S2 - COMAU

25 Tipologie di Robot : Bracci meccanici (2) Giunti prismatici: Il cui moto è una traslazione (giunti tipo T) Giunti rotoidali: Il cui moto è una rotazione (giunti tipo R) Altri tipi di giunti (ad es. sferici, elicoidali) possono essere descritti come combinazioni di giunti di tipo R e T

26 Tipologie di Robot : Bracci meccanici I bracci meccanici si suddividono in tre grandi famiglie: Seriale Parallela Ibrida

27 Robot Seriali: Cartesiano - TTT Utilizzati in genere per la pallettizzazione di grossi carichi Alfio Italiana Robot

28 Robot Seriali: Cilindrico - RTT Area di impiego: - Fissaggio di componenti elettronici - Montaggio D-TRAN - SEIKO

29 Robot Seriali: Sferico - RRT Model UNIMATE

30 Robot Seriali: SCARA - RRT SCARA è acronimo di: Selective Compliance Assembly Robot Arm Area di impiego principale: pallettizzazione o la depallettizzazione EC 251S - EPSON

31 Robot Seriali: Antropomorfo - RRR Utilizzato per vari compiti FSeries 06N - KAWASAKI

32 Robot Paralleli: 4 bar I Robot paralleli sono anche detti a catena cinematica chiusa La struttura a 4 bar è in genere attuata da un solo motore Caratteristiche principali: - il link superiore si mantiene parallelo alla base durante il moto - elevata robustezza (più delle catene seriali)

33 Robot Paralleli: 5 bar (R) Variazione q 1 q 2 q 1 Variazione q 2 La struttura a 5 bar è in genere attuata da due motori, spesso coassiali Caratteristica principale: - Sono ammesse configurazioni in cui il link superiore non è parallelo alla base

34 Robot Paralleli: 5 bar Misto (RT) Si possono ottenere le stesse caratteristiche utilizzando giunti tipo R e T L Variazione q 1 L q 2 q 1 L Variazione q 2

35 Robot Paralleli: 6D Il moto dell end-effector non è più planare, ma segue una traiettoria 3D. La posizione dell end-effector è quindi identificata da sei coordinate (3 di posizione e 3 di orientamento). Sono meccanismi molto complessi.

36 Cinematica parallela Physik Instrumente - Hexapod Hexel - Tornado Hexel - Rotobot FANUC - F100 NEOS - Tricept

37 Robot Paralleli 6D: Video P1000 Parallel Robotic Systems P2000 Parallel Robotic Systems

38 Robot Ibridi Nascono dalla fusione dei robot seriali e paralleli. q 5 q 6 Parallela q 4 q 3 q 7 q 2 Seriale q 1 Esempio di robot unione di un 5 bar e di uno SCARA, con inserimento di due ulteriori dof (q 1, q 4 ).

39 Robot Ibridi: Esempio Red 5 Italiana Robot Linea d inscatolamento e pallettizzazione di bobine di film estensibile (Alfio e RED 5)

40 Cinematica Mista Serie/Parallelo. Modelli Kawasaki

41 Tipologie di Robot : Veicoli I veicoli possono essere movimentati mediante: - Ruote; - Cingoli; - Gambe; Esistono diverse famiglie di veicoli: - Uniciclo; - Car-like; - Skid steering; - Omnidirezionali;

42 Veicoli: Ruote Ruota Fissa: Il punto P non può muoversi, a meno di non strisciare, in direzione dell asse della ruota

43 Veicoli: Ruote Ruota Orientabile Centrata: Restrizione alla mobilità del robot

44 Veicoli: Ruote Ruota Orientabile Eccentrica (Castor Wheel): Proprietà omnidirezionale

45 Veicoli: Cingoli Movimento rettilineo: i cingoli vanno alla stessa velocità e direzione; Movimento rototraslazionale: con CIR esterno, con CIR sull asse di un cingolo; Movimento rotazionale: con CIR interno. Tutto ciò vale anche per le ruote V L V R R CIR Centro Istantaneo di Rotazione

46 Veicoli: Gambe Utilizzate in genere per movimentare robot immersi in ambienti sconosciuti, data la facilità con la quale permettono al robot di superare gli ostacoli MHEX Hexapod Robot Project

47 Veicoli: Gambe Possono far parte di strutture molto complesse HRP-2P ASIMO

48 Veicoli: Unicicli Sono i veicoli più semplici. Il modello classico ha una sola ruota Permettono la rotazione sul posto y y u v q x u x

49 Veicoli: Esempi Uniciclo Kephera veicolo autonomo di piccole dimensioni (5-10 cm)da utilizzarsi anche in gruppo per esperimenti di robotica collettiva. Pioneer Veicolo di medie dimensioni equipaggiabile con sensori e attuatori di vario tipo Whiskers: ulteriore veicolo a uniciclo

50 Veicoli: Car-Like Presentano la cinematica della automobile La bicicletta è un caso particolare di car-like y v p L v a q 2 y cl q 1 x cl x

51 Robot Mobili / AGV

52 Veicoli: Esempi Car-Like e Skid Steering Mars Sojourner Koala: K-Team

53 Veicoli: Esempio Cingolati, Omnidirezionali, Gambe Urban Robot: Nasa JPL Dante II: NASA PalmPilot Robot Kit: CMU s Robotics Institute

54 Robotica e Automazione Entertainement Robots (e.g. AIBO) 10/22/2003 Industrial Robot Population U.E U.S.A Japan Total Sold in 2003 Venduti: - 20,000 domestici nel 2001, - 33,000 nel 2002 Previsti nel 2006: - 400,000 aspirapolvere ( $) -125,000 tagliaerba

55 Embedded Control Systems

56 Sistemi di Controllo Dedicati Controllo intelligente di sistemi meccanici ( Acciaio e Silicio ) Cifre: : anno entro il quale il numero di MIPS a bordo di sistemi meccanici supererà quello usato complessivamente nei PC; ( 136): numero di microprocessori su un auto in commercio; 85%: quota del budget R&D nell industria automotive rivolto a sistemi integrati di controllo elettronico della meccanica; 85